Udostępnij:

Automatyka

Układ automatycznej regulacji

Artykuł opisuje czym jest i z czego się składa układ automatycznej regulacji.

Zanim przejdziemy do opisania automatycznego układu regulacji, opiszemy podstawowy układ bez sprzężenia zwrotnego, czyli układ w strukturze otwartej , który został przedstawiony poniżej.

Schemat układu regulacji bez sprzężenia zwrotnego (struktura otwarta)
Rys. 1 Schemat układu regulacji bez sprzężenia zwrotnego (struktura otwarta)

Powiedzmy sobie najpierw, co nazywamy układem regulacji - jest to połączenie elementów automatyki, które współdziałają ze sobą realizując wyznaczone zadanie. Możemy sobie wyobrazić klimatyzator, na którym nastawiamy zadaną temperaturę, a on dąży do tego, żeby zadaną temperaturę utrzymać. Na przykładzie regulacji temperatury omówimy również pozostałe elementy, ale najpierw musimy je poznać:

Sygnał zadany ( wymuszenie ) - jest to wartość zadana przez system albo operatora systemu, którą chcemy uzyskać na wyjściu.

Regulator - jego zadaniem jest na podstawie zadanego sygnału wypracować sygnał nastawczy. Należy w tym miejscu wspomnieć, że regulator może być rozdzielony z urządzeniem wykonawczym, jak pokazano na rysunku powyżej lub też może zawierać urządzenie wykonawcze w sobie. W praktyce układ z osobnym regulatorem i urządzeniem wykonawczym wyglądałby na przykład w taki sposób, że regulator byłby zrealizowany na układzie mikrokontrolera, z którego sygnał nastawczy sterowałby grzałką i dmuchawą. W sytuacji kiedy regulator byłby wyposażony w urządzenie wykonawcze, mielibyśmy do czynienia z układem podobnym do klimatyzatora, który jednocześnie wykonuje obliczenia dotyczące sterowania temperaturą, jak i generuje odpowiednią temperaturę na wyjściu układu.

Obiekt regulacji jest urządzeniem lub procesem technologicznym, którym sterujemy. Może to być na przykład temperatura w pokoju, którą chcemy ustawić i utrzymywać na zadanym, przyjemnym dla nas poziomie. Należy pamiętać, że temperatura nie zmienia się skokowo. Im większe pomieszczenie, tym zmiana będzie trwała dłużej.

Dodatkowo na nasz obiekt regulacji ma wpływ zakłócenie - w opisywanej sytuacji możemy sobie wyobrazić, że otwieramy okno, a temperatura na zewnątrz jest znacznie niższa lub wyższa niż zadana. 

Omówmy to na przykładzie konkretnych wartości.

Przykład wartości uzyskanych w otwartej strukturze regulacji
Rys. 2 Przykład wartości uzyskanych w otwartej strukturze regulacji ​​

Zakładamy zadaną temperaturę 22 stopnie. Regulator na tej podstawie stwierdza, że urządzenie wykonawcze powinno generować taką właśnie temperaturę na wyjściu, aby w obiekcie uzyskać wartość zadaną. Niestety na obiekt ma wpływ zakłócenie w postaci temperatury zewnętrznej i temperatura w pokoju wynosi 19 stopni. Regulator nie ma informacji o tym, jaka jest aktualnie temperatura w pokoju, zatem nie jest w stanie zwiększyć sygnału nastawczego. Aby uzyskać w pokoju temperaturę 22 stopnie, należałoby jako wartość zadana ustawić temperaturę wyższą. W tej strukturze możemy bardzo szybko dostrzec dwie główne wady:

- brak w regulatorze aktualnej wartości sygnału wyjściowego, a co za tym idzie

- brak niwelowania wpływu zakłócenia na obiekt regulacji.

Aby rozwiązać powyższe problemy stosuje się ujemne sprzężenie zwrotne , które zostało przedstawione poniżej.

Schemat układu automatycznej regulacji ze sprzężeniem zwrotnym (struktura zamknięta)
Rys. 3 Schemat układu automatycznej regulacji ze sprzężeniem zwrotnym (struktura zamknięta)

W porównaniu do poprzedniego układu, sygnał wyjściowy jest teraz przetwarzany dodatkowo przez element pomiarowy i wartość mierzona jest odejmowana od sygnału zadanego. Wynikiem tej różnicy jest sygnał w postaci uchybu regulacji .

Taka struktura regulacji nazywana jest właśnie układem automatycznej regulacji . Jeśli regulator zostanie odpowiednio dobrany, to w takiej sytuacji mamy możliwość uzyskać na wyjściu wartość sygnału zadanego, niezależnie od zakłócenia działającego na nasz obiekt regulacji. Możemy przeanalizować powyższy układ na przykładowych wartościach, tak jak zrobiliśmy dla struktury otwartej.

Przykład wartości uzyskanych w zamkniętej strukturze regulacji
Rys. 4 Przykład wartości uzyskanych w zamkniętej strukturze regulacji

W pierwszym kroku przepisałem wartości uzyskane w strukturze otwartej, czyli sygnał zadany , zakłócenie i temperaturę dociarającą do obiektu regulacji z urządzenia wykonawczego. Żółta strzałka wskazuje początek analizy układu. Pierwsza uzyskana wartość w tym miejscu wynosi 22 stopnie. W konsekwencji na wyjściu otrzymaliśmy 19 stopni. Sygnał ten jest przetwarzany przez element pomiarowy i obliczany jest uchyb, który wynosi 3 stopnie. W konsekwencji regulator tak steruje urządzeniem wykonawczym, że na wyjściu uzyskujemy drugą wartość, czyli 23 stopnie. Powoduje to zwiększenie sygnału wyjściowego do 20 stopni, a uchyb wynosi w tym przypadku 2 stopnie. Wciąż występuje różnica między sygnałem zadanym, a wyjściowym, zatem regulator ponownie zwiększa sygnał sterujący urządzeniem wykonawczym, który genereuje temperaturę 25 stopni. Efektem tego jest uzyskanie temperatury na wyjściu zgodnej z sygnałem zadanym, a zatem uchyb wynosi teraz zero. 

Oczywiście jest to nieco uproszczony opis procesu regulacji, jednak przedstawia główną myśl i obrazuje, że jest to proces dynamiczny, który przy zastosowaniu odpowiedniego regulatora i dobrania jego parametrów pozwala uzyskiwać wartość zadaną na wyjściu. 

Jeśli chcesz dowiedzieć się więcej o automatyce, układach regulacji oraz rodzajach regulatorów, to zachęcam do obejrzenia darmowego kursu zatytułowanego Podstawowe układy regulacji w automatyce  lub dowiedz się też, jak przekształcać schematy blokowe w celu wyznaczenia transmitancji wypadkowej z kursu Schematy blokowe w automatyce!